Урок 7
Введение
Когда общее солесодержание воды и содержание многих загрязнителей, обсуждаемых в уроке 7, становится высоким, вода становится неприемлемой для использования. Чаще всего высокие концентрации многих из этих загрязнителей встречаются в ограниченном числе регионов. И хотя эти частные проблемы не являются настолько распространенными, как те, которые мы изучали на предыдущих уроках, они могут доставить много неприятностей тем, кто за- висит от такой воды в своей повседневной жизни.
7 Общее солесодержание, сероводород, фториды и другие загрязнители воды
Вода для питья и приготовления пищи должна быть безопасной. Она должна быть вкусной. Она должна быть безопасной для питья в бактериологическом и химическом плане. Она должна быть чистой, бесцветной и не иметь неприятных привкусов и запахов.
На сегодняшний день нам необходимы, по меньшей мере, три основных вида воды, немного разных по качеству, в зависимости от предъявляемых требований:
1. Техническая вода. Вода, которая подходит для санитарных целей и полива газонов. Она должна быть в достаточном количестве, бактериологически безопасной, но необязательно самого высокого качества.
2. Умягченная вода. Такая вода оптимальна для принятия душа, мытья головы, ухода за телом, стирки и мытья посуды. Поскольку во многих этих случаях вода должна быть горячей, полностью умягченная вода дает лучшие результаты при минимальном использовании мыла и детергентов. Кроме того, она обеспечивает экономию энергии, необходимой для нагрева воды.
3. Питьевая вода. Вода, используемая для питья и приготовления пищи, должна быть высокого качества. Она должна соответствовать или превосходить бактериологические и химические требования Первичных и Вторичных стандартов качества питьевой воды Агентства США по охране окружающей среды. Поскольку из всего объема воды, потребляемой населенным пунктом, на питьевую воду приходится около одного процента, это составляет два галлона (приблизительно 8 л) на человека в день из 183 галлонов (693 л) на человека в день, в целом потребляемых этим населенным пунктом. Оставшаяся вода (181 галлон или 685 л на человека в день) используется для различных целей, таких как полив, смыв туалетов, тушение пожаров, уборка улиц, а также для коммерческих и промышленных нужд.
4. Конечно, для многих предприятий в сфере обслуживания (прачечных, салонов красоты, автомоек и т.д.), промышленных предприятий (где вода используется в производстве и для других целей) и организаций (например, больниц, которые используют воду в лабораториях, для гемодиализа и т.д.) в точке использования также требуется вода разного вида и при этом наивысшего качества.
Сегодня, как никогда ранее, вода такова, какой мы ее делаем — и это касается не только коммунальных, но и индивидуальных источников водоснабжения. Водоподготовка в точке использования сегодня — очень реальное и доступное средство, с помощью которого можно подготовить воду самого высокого качества. Более того, поскольку обработка воды в этом случае производится непосредственно перед ее использованием, такой вид водоподготовки также обеспечивает явные и уникальные преимущества в том, что для получения нужного качества обрабатывается только то количество воды, которое необходимо в каждом конкретном случае. Это также практически исключает возможность повторного загрязнения воды после обработки.
Первичные и Вторичные стандарты качества питьевой воды Агентства США по охране окружающей среды
Поскольку общепризнано, что нашим главным приоритетом является без- опасная питьевая вода, неотъемлемой частью курса «Основы водоподготовки» Ассоциации по качеству воды является обзор стандартов Агентства США по охране окружающей среды (АООС США), устанавливающих требования к предельным концентрациям загрязнителей в воде. Ниже в таблицах приведены первичные и вторичные предельные концентрации загрязнителей, что дает представление о данных стандартах. Первичные предельные концентрации загрязнителей охватывают загрязнители питьевой воды, которые по данным АООС США могут вызывать отрицательное влияние на здоровье человека. Они имеют законную силу для общественных систем водоснабжения. Вторичные предельные концентрации загрязнителей — это рекомендованные АООС США уровни, влияющие на эстетические характеристики воды.
Предельные концентрации загрязнителей
согласно Первичным стандартам
качества питьевой воды
Первичные (оказывающие влияние на здоровье) микробные загрязнители и загрязнители, придающие воде мутность
| Загрязнители |
Целевая предельная концентрация загрязнителей † |
Предельная концентрация загрязнителей ‡ |
| Мутность |
— |
0,5-1 НЕМ в 95% образцов; максимум 5 НЕМ в определенных условиях |
| Колиморфные бактерии |
0 |
0 в 95% образцов |
| Вирусы |
0 |
уменьшение содержания или дезактивация на 99,99% |
| Цисты кишечной лямблии и Cryptosporidium |
0 |
уменьшение содержания или дезактивация на 99,99% |
Первичные (оказывающие влияние на здоровье)
радионуклидные загрязнители
| Загрязнители |
Целевая предельная концентрация загрязнителей † |
Предельная концентрация загрязнителей ‡ |
| Совокупность альфа-частиц |
0 |
15 пКи/л |
| Воздействие бета- частиц и фотонов (ранее антропогенные радионуклиды) |
0 |
4 мбэр/год |
| Радий-226 и радий-228 |
0 |
5 пКи/л |
| Радон |
0 |
300 пКи/л (предл.)* |
| Уран |
0 (предл.) |
0,03 мг/л |
Первичные (оказывающие влияние на здоровье)
неорганические загрязнители
| Загрязнители |
Целевая предельная концентрация загрязнителей † мг/л |
Предельная концентрация загрязнителей ‡, мг/л |
| Асбест |
7 млн. волокон на литр |
7 млн. волокон на литр (длиннее 10 мк) |
| Барий |
2 |
2 |
| Бериллий |
0,004 |
0,004 |
| Кадмий |
0,005 |
0,005 |
| Медь |
1,3 |
1,3 (предельно допустимая концентрация) |
| Медь (всего) |
0,002 |
0,002 |
| Мышьяк (всего) |
0 |
0,01 |
| Никель |
0,1 |
0,1 |
| Нитраты плюс нитриты (в эквиваленте азота) |
10 |
10 |
| Нитриты (в эквиваленте азота) |
1 |
1 |
| Свинец |
0 |
0,015 (предельно допустимая концентрация) |
| Селен (всего) |
0,05 |
0,05 |
| Сульфаты |
500 (лредл.) |
500 (лредл.) |
| Сурьма |
0,006 |
0,006 |
| Таллий |
0,0005 |
0,002 |
| Фториды |
4 |
4 |
| Хром (всего) |
0,1 |
0,1 |
| Цианиды |
0,2 |
0,2 |
Первичные (оказывающие влияние на здоровье)
неорганические загрязнители
| Загрязнители |
Целевая предельная концентрация загрязнителей † мг/л |
Предельная концентрация загрязнителей ‡, мг/л |
||
| Акриламид |
0 |
0,0005 (предельно допустимая концентрация) |
||
| Бенз(а)пирен (ПАУ) |
0 |
0,0002 |
||
| Бензол |
0 |
0,005 |
||
| Броматы |
0 |
0,010 |
||
| Винилхлорид |
0 |
0,002 |
||
| Галогензамещенная уксусная кислота (НАА5) |
0 |
0,060 |
||
| Гексахлорбензол |
0 |
0,001 |
||
| Гексахлорциклопентадиен |
0,05 |
0,05 |
||
| Гептахлор |
0 |
0,0004 |
||
| Гептахлора эпоксид |
0 |
0,0002 |
||
| Глифосат |
0,7 |
0,7 |
||
| 2,4-Д |
0,07 |
0,07 |
||
| Далапон |
0,2 |
0,2 |
||
| Ди[2-этилгексил]адипат |
0,4 |
0,4 |
||
| Дибромхлорпропан (ДБХП) |
0 |
0,0002 |
||
| Дикват |
0,02 |
0,02 |
||
| Д и метил бензолы (всего) |
10 |
10 |
||
| Диносеб |
0,007 |
0,007 |
||
| Дихлорбензол (отро-) |
0,6 |
0,6 |
||
| Дихлорбензол (пара-) |
0,075 |
0,075 |
||
| Дихлорметан (метиленхлорид) |
0 |
0,005 |
||
| Дихлорпропан (1,2-) |
0 |
0,005 |
||
| Дихлорэтан (1,2-) |
0 |
0,005 |
||
| Дихлорэтилен (1,1-) |
0,007 |
0,007 |
||
| Дихлорэтилен (транс-1,2-) |
0,1 |
0,1 |
||
| Дихлорэтилен (цис-1,2-) |
0,07 |
0,07 |
||
Первичные (оказывающие влияние на здоровье)
неорганические загрязнители
| Диэтилгексилфталат (эфир фталевой кислоты) |
0 |
0,006 |
| Карбофуран |
0,04 |
0,04 |
| Линдан |
0,0002 |
0,0002 |
| Метоксихлор |
0,04 |
0,04 |
| Монохлорбензол |
0,1 |
0,1 |
| Оксамил (Видат) |
0,2 |
0,2 |
| Пентахлорфенол |
0 |
0,001 |
| Пиклорам |
0,5 |
0,5 |
| Полихлорированные бифенилы (ПХБ) |
0 |
0,0005 |
| Симарзин |
0,004 |
0,004 |
| Стирол |
0,1 |
0,1 |
| Тетрахлорметан (четыреххлористый углерод) |
0 |
0,005 |
| Тетрахлорэтилен |
0 |
0,005 |
| Токсафен |
0 |
0,003 |
| Толуол |
1 |
1 |
| 2,4,5-ТП (Силвекс) |
0,05 |
0,05 |
| Тригалометаны (ТГМ) Хлороформ Бромдихлорметан Дибромхлорметан Бромоформ |
0 |
0,080 |
| Трихлорбензол (1,2,4) |
0,07 |
0,07 |
| Трихлорэтан (1,1,1-) |
0,2 |
0,2 |
| Трихлорэтан (1,1,2-) |
0,003 |
0,005 |
| Трихлорэтилен |
0 |
0,005 |
| 2,3,7,8-ТХДД (Диоксин) |
0 |
3x10-8 |
| Хлор |
4 |
4 |
| Хлора диоксид |
0,3 |
0,8 |
| Хлорамины |
4 |
4 |
Первичные (оказывающие влияние на здоровье)
неорганические загрязнители
| Хлордан |
0 |
0,002 |
| Хлориты |
0,8 |
1,0 |
| Хризен (ПАУ) |
0 (предл.) |
0,0002 (предл.) |
| Эндоталл |
0,1 |
0,1 |
| Эндрин |
0,002 |
0,002 |
| Эпихлоргидрин |
0 |
0,002 (предельно допустимая концентрация) |
| Этилбензол |
0,7 |
0,7 |
| Этилендибромид (ЭДБ) |
0 |
0,00005 |
*(предл.) — Предложенный стандарт
†— Целевая предельная концентрация загрязнителя установлена на уровне, при котором не известно или не прогнозируется неблагоприятное воздействие на здоровье человека и который позволяет иметь достаточный запас безопасности. Выражается в мг/л, если не указано иначе.
‡— Предельная концентрация загрязнителя установлена как можно ближе к целевой концентрации, насколько это возможно с учетом стоимости и технологий водоподготовки в общественных системах водоснабжения
Предельные концентрации загрязнителей согласно
Вторичным стандартам качества питьевой воды
| Загрязнители |
Вторичная предельная концентрация загрязнителей †, мг/л |
| pH |
6,5—8,5 |
| Алюминий |
0,05-0,2 в зависимости от ситуации |
| Железо |
0,3 |
| Запах |
3 (пороговая концентрация по запаху) |
| Коррозионная активность |
Некоррозионная |
| Марганец |
0,05 |
| Медь |
1,0 |
| Общее солесодержание |
500 |
| Пенообразователи (Активные вещества метиленового синего) |
0,5 |
| Серебро |
0,1 |
| Сульфаты |
250 |
| Фториды |
2,0 |
| Хлориды |
250 |
| Цвет |
15 единиц цветности |
| Цинк |
5 |
*(предл.) — Предложенный стандарт
† — Вторичная предельная концентрация загрязнителя, выраженная в мг/л, если не указано иначе.
Общее солесодержание
Ионные и другие загрязнители в растворе; взвешенные загрязнители
Как мы узнали ранее, многие растворенные неорганические загрязнители воды существуют в виде ионов в растворе. Вот наиболее распространенные из этих ионов:
| Катионы |
Анионы |
||
| Кальций |
Са++ |
Бикарбонат-ион |
НСО3- |
| Магний |
Мд++ |
Хлорид-ион |
Cl- |
| Натрий |
Na+ |
Сульфат-ион |
SO4-- |
| Железо |
Fe++ |
Нитрат-ион |
NО3- |
| Марганец |
Mn++ |
Карбонат-ион |
СО3-- |
Эти растворенные электрически заряженные частицы делают обычную естественную воду хорошим проводником электричества. И наоборот, чистая вода имеет высокое электрическое сопротивление, которое часто используется как мера безпримесности.
Поскольку только некоторые из наиболее распространенных ионных загрязнителей воды оказывают свое влияние на здоровье человека, из большинства естественных источников пить воду безопасно с точки зрения растворенных неорганических химических загрязнителей. Однако, даже, несмотря на то, что их находят весьма редко и в гораздо меньших количествах, некоторые неорганические ионы могут быть токсичными. Такие загрязнители перечислены в Стандартах качества питьевой воды АООС США. Там же приведены их предельно допустимые концентрации. Кроме того, в Стандарты включены также предельно допустимые концентрации радиоактивных ионных загрязнителей, предельный уровень мутности (непрозрачности) воды и предельный уровень для колиморфных бактерий (присутствие которых говорит о заражении воды человеческими и животными испражнениями). Мутность и бактерии — это примеры взвешенных загрязнителей воды.
Кроме того, источники водоснабжения могут содержать растворенные органические загрязнители, которые обычно попадают в воду в результате антропогенной деятельности, такие как инсектициды, пестициды и гербициды. Они оказывают хронический (а не острый) токсический эффект на человека и другие формы жизни даже в крайне малых количествах. Тригалометаны — это растворенные органические загрязнители, такие как хлороформ, образующиеся в результате реакции хлора, используемого для дезинфекции воды, с гуминовыми и фульвовыми кислотами, являющимися результатом разложения растительного материала. Другие органические вещества могут попадать и в поверхностные, и в грунтовые воды в результате утечки химикатов. Это трихлорэтилен, тетрахлорэтилен (ТХЭ), полихлорированные бифенилы (ПХБ), диоксин и другие. Многие из органических загрязнителей присутствуют в воде не обязательно в ионной форме.
Вторичные стандарты качества питьевой воды регулируют концентрации загрязнителей, которые, в основном, оказывают эстетический эффект на воду. Некоторые их них — хлориды, сульфаты, медь, железо, марганец, цинк и общая совокупность солей — это ионизированные загрязнители.
Цветовые и вкусовые загрязнители придают воде неприемлемые органолептические качества.
pH — это мера кислотности или щелочности воды, а коррозионная активность описывает способность воды разрушать трубы и резервуары.
Изобретение и развитие мембранных процессов в водоподготовке (ультрафильтрация, электродиализ и обратный осмос) началось еще в 20-х годах прошлого века, но не находило практического применения в течение 40 лет. Бурное развитие этих технологий началось с 1960-х годов, и сегодня они стали неотъемлемой частью процессов водоподготовки и очистки сточных вод, хотя все эти мембранные технологии, также как и некоторые другие, естественным образом «применяются» в человеческом теле, например, в почках, а оболочка каждой живой клетки — это полупроницаемая мембрана.
Обратный осмос обеспечивает очень важный единичный процесс, используемый сегодня специалистами по водоподготовке в точке использования. В совокупности с фильтрацией и ионным обменом, которые могут быть использованы для предочистки и доочистки, обратный осмос значительно расширяет и дополняет технологические возможности специалиста по водоподготовке.
Таблица «Загрязнители питьевой воды и их удаление», размещенная в конце данного урока, демонстрирует возможности и универсальность системы «обратный осмос/ активированный уголь» при давлении воды 60 фунтов на кв. дюйм (0,41 МПа).
Прежде всего, нужно сказать, что мембраны представляют собой тончайший из всех известных фильтр для задерживания примесей, демонстрирующий возможность 100% задерживания частиц мути и практически 100% удаления асбеста.
Они удаляют более 90% общего содержания солей и, соответственно значительно понижают содержание многих других катионов и анионов из списка Стандартов питьевой воды АООС США — от 30% серебра и 40% нитратов до 98% сульфатов.
Подобным образом, система «обратный осмос/ активированный уголь» обладает исключительной способностью удалять растворенные органические вещества.
В работе Хейнса, Братины и Брауна под названием «Удаление свинца с помощью бытовых очистителей воды», представленной на Ежегодной конференции Американской ассоциации водоподготовки, авторы показывают, что бытовой прибор обратного осмоса, работающий при нормальном давлении, какое бывает в домашних условиях, уменьшил концентрацию свинца со значительных 762 мкг/л до средней концентрации 22 мкг/л (97% удаление). После этого блок активированного угля снизил концентрацию до 5 мкг/л (общий уровень снижения концентрации — 99%).
Щелочность
Щелочность воды может быть результатом присутствия одного или более видов ионов. К ним относятся гидроксиды, карбонаты и бикарбонаты. Как мы узнали из урока 2, гидроксид-ионы присутствуют в воде всегда, хотя их концентрация бывает очень мала. И хотя значительные концентрации гидроксидов — необычное явление для естественных источников воды, она может иметь место после определенных видов водоподготовки. Небольшие количества карбонатов находят в естественных источниках в определенных районах США. При этом их концентрация редко превышает 3-4 грейна на галлон (51,3-68,4 мг/л). Они также могут появляться в воде после некоторых видов обработки, например, после умягчение известью и кальцинированной содой. Бикарбонаты — это наиболее распространенный источник щелочности. Почти все естественные источники содержат измеримое количество этого иона — от 0 до 50 грейнов на галлон (0-855 мг/л).
Щелочность. Щелочность воды можно определить как ее способность нейтрализовать кислоты. Щелочные вещества в воде включают гидроксиды или основания. Их можно обнаружить по едкому вкусу и по их способности окрашивать лакмусовую бумагу в синий цвет.
Фосфаты и силикаты, которые также могут придавать воде щелочность, редко находят в естественных источниках в концентрациях, влияющих на домашнее использование воды. Соединения, содержащие эти ионы, могут использоваться в различных процессах водоподготовки. Умеренные концентрации щелочности желательны во всех источниках водоснабжения для нейтрализации коррозионного эффекта, вызываемого кислотностью. Однако избыточные концентрации
вызывают множество неприятностей. Эти ионы в воде находятся в свободном состоянии, но они имеют дополняющие их катионы, такие как кальций, магний и натрий или калий.
Вы, возможно, и не заметите щелочности, вызванной бикарбонат-ионами, кроме случая, когда они присутствуют в больших количествах. Но щелочность, вызванная присутствием даже небольшого количества карбонат- или гидроксид-ионов, напротив, будет сразу заметна.
Сильнощелочная вода имеет неприемлемый содовый привкус. Вторичные стандарты качества питьевой воды АООС США ограничивают щелочность только в плане общего солесодержания (500 мг/л (ppm)) и, в некотором смысле, путем ограничения уровня pH.
Высокоминерализованные щелочные воды вызывают также пересушивание кожи, так как они имеют тенденцию удалять естественные кожные жиры.
Проблемные концентрации щелочности могут быть удалены обратным осмосом вместе с другими растворенными веществами. Другие методы водоподготовки также удаляют растворенные вещества и щелочность, но они не так удобны для использования в быту, как обратный осмос. Это такие методы, как дистилляция и деионизация (деминерализация).
Имеются и другие методы удаления щелочности, но они не подходят для домашнего использования:
1. Умягчение воды известью (см. урок 4) удаляет жесткость. В то же время, этот процесс осадит эквивалентное количество веществ, придающих воде щелочность. Умягчение известью обычно используют только в общественных и промышленных системах водоснабжения.
Умягчение воды известью. Данный процесс, хотя и уменьшает общую щелочность, но при этом преобразует НСO3- в СO3--, более сильный щелочной ион.
2. Анионообменная смола, регенерированная хлоридом натрия, основательно удаляет все анионы (карбонаты, бикарбонаты, сульфаты, а также нитраты). Она заменяет их химическим эквивалентом хлорид-ионов. Недостатком этого процесса является то, что практически во всех случаях в результате возникает высокая концентрация хлорид-ионов. В точке полной выработки ресурса смола имеет тенденцию сбрасывать захваченные анионы, в том числе нитраты. Если допустить полную выработку ресурса и такой сброс анионов, результат будет таким же нежелательным, как и первоначальная щелочность.
3. Подача неорганической кислоты нейтрализует щелочность воды. Можно использовать соляную и серную кислоты и их комбинации. В ходе этого процесса присутствующие в воде бикарбонаты и карбонаты преобразуются в угольную кислоту. На данном этапе целесообразно каким-то образом высвободить получившийся углекислый газ в атмосферу. Недостатки этой технологий подачи кислоты очевидны. Необходим тщательный контроль процесса и осторожность в обращении с сильными кислотами.
Свободная углекислота
Практически во всех естественных источниках воды содержится углекислота, которая попадает в воду несколькими путями. Углекислый газ (СO2) присутствует в воздухе в количестве 0,03% по объему и 0,05% по весу. Когда дождь проходит через атмосферу, он поглощает какое-то количество этого газа.
Свободная углекислота. Этот термин относится к углекислому газу, растворенному в воде, и используется, чтобы отличить раствор газа от связанной углекислоты, присутствующей в бикарбонат- и карбонат-ионах.
По достижении земли дождевая вода — теперь слегка кислая — поглощает дополнительное количество углекислого газа во время прохождения через разлагающуюся растительность. В то же время, углекислый газ становится угольной кислотой. Если вода проходит через формации известняка, угольная кислота вступает в реакцию с известняком и образует растворимый бикарбонат кальция. В ходе этого процесса угольная кислота частично нейтрализуется.
Известняк. Осадочная горная порода, полностью или в значительной мере состоящая из карбоната кальция. Существует много важных разновидностей известняка, таких как мел, травертин и мрамор.
С другой стороны, если вода проходит через горные породы, такие как гранит, такой реакции не происходит. Угольная кислота не нейтрализуется. Она продолжает оставаться угольной кислотой, пока ее не поднимут на поверхность, где она затем вызывает коррозию, если ее не нейтрализовать.
Гранит. Вид горной породы, состоящий в основном из кварца, щелочного полевого шпата и слюды. Кварц и полевой шпат всегда присутствуют в граните. Иногда присутствуют и другие минералы, все являющиеся силикатами.
Если угольная кислота не будет нейтрализована естественным путем или путем применения химических реагентов, она будет вызывать коррозию меди и оцинкованных элементов водопровода (см. урок 6). В тех районах США, в которых такая проблема широко распространена, к этому нужно подходить очень серьезно, поскольку это может привести к порче сантехнического оборудования. Углекислый газ и угольная кислота являются, в основном, проблемой воды с относительно низкими концентрациями минералов. В такой воде щелочных солей недостаточно, чтобы служить буфером для воздействия угольной кислоты.
Простейшим методом удаления угольной кислоты является пропуск воды через бак, содержащий известняковый щебень. Нейтрализующий фильтр такого типа так же влияет на угольную кислоту, как и подземные формации известняка. Известняк в фильтре реагирует с угольной кислотой и образует бикарбонат кальция. Таким же образом образуется бикарбонат магния, только в меньшем количестве. Примечание: не все разновидности известняка подходят для этой цели. Излишне мягкий материал может крошиться и образовывать твердую массу и засорять фильтр. Лучше всего подходят твердые, крепкие гранулы, которые сохраняют физическую структуру, даже по мере их растворения.
Еще одним видом материалов, используемых в этом процессе нейтрализации, является оксид магния. И хотя этот процесс добавляет в воду жесткость и щелочные соли, он эффективно нейтрализует значительные концентрации угольной кислоты при относительно низких затратах.
Там, где встречаются высокие концентрации углекислого газа, в воду можно подавать раствор кальцинированной соды, или карбоната натрия (Na2CO3). Угольная кислота и карбонат натрия реагируют между собой и образуют бикарбонат натрия. Преимущество данного метода водоподготовки состоит в том, что он не добавляет в воду жесткость. Также он очень эффективен, если необходимо удалить угольную кислоту из больших объемов воды. Недостаток этого метода, как мы уже видели, заключается в том, что требуется более тщательное приготовление и подача необходимых реагентов. Там, где вода поступает из индивидуальных скважин, можно использовать небольшой поршневой насос прямого вытеснения, который будет подавать в воду раствор кальцинированной соды. Обычно такие насосы настраивают для совместной работы со скважинным насосом. Это позволяет достаточно точно дозировать реагент.
Если для подачи воды в дом не используется индивидуальная система водоснабжения, необходимо другое устройство для подачи реагентов. Конструкции таких устройств ограничены только мастерством производителей и персонала, который будет устанавливать это оборудование.
Важно подавать раствор кальцинированной соды в воду перед любым баком или смесителем. Это необходимо для обеспечения однородной концентрации реагентов в воде.
Хлориды и сульфаты
В воде практически изо всех естественных источников содержатся хлорид- и сульфат-ионы. Их концентрация может быть очень разной, в зависимости от минеральных составляющих земли в данном регионе. В небольших количествах они не играют никакой роли, но при больших концентрациях они создают проблемы. Обычно концентрация хлоридов невысока. Сульфаты могут быть более проблемными, поскольку обычно они встречаются в более высоких концентрациях. При низких и средних концентрациях и хлорид-, и сульфат-ионов они придают воде вкусовую привлекательность. По этой причине их присутствие в воде может быть желательным. Повышенные концентрации этих ионов могут сделать воду неприятной для питья.
Вторичные стандарты качества питьевой воды АООС США рекомендуют максимальную концентрацию 250 мг/л для хлорид-ионов и 250 мг/л для сульфат-ионов (выраженных как Cl- и SO4--, а не в эквиваленте СаСO3).
Вода, содержащая сульфат кальция (гипс), скорее всего, будет иметь характерный вкус — немного горький и вяжущий. Большинство людей могут почувствовать вкус сульфата кальция при его концентрации 30-40 грейнов на галлон (513-684 мг/л).
Если в воде будет растворено такое же количество сульфата магния или сульфата натрия, его вкус будет неразличим. Все сульфаты обладают определенным слабительным действием при концентрациях выше 30 грейнов на галлон (выше 513 мг/л). По этой причине они могут быть проблемными, особенно для людей, которые не привыкли к такой воде. Кроме этого слабительного действия и возможного лекарственного привкуса, сульфатная вода может обладать повышенной жесткостью, большими количествами солей натрия или кислотностью.
Все вмести или по отдельности эти свойства могут создавать специфические проблемы для водоподготовки.
Хлориды придают воде соленый вкус. При каких концентрациях он становится заметен, зависит от человека. В больших концентрациях хлориды придают воде неприятный очень соленый вкус, что однозначно неприемлемо. Хотя хлориды и чрезвычайно растворимы, они обладают заметной стабильностью. Это позволяет им сопротивляться изменениям и оставаться на одном уровне в любом данном источнике воды, пока вода в этом источнике не будет разбавлена промышленными или бытовыми стоками. И хлориды, и сульфаты повышают общую минерализацию воды. Как было сказано выше, общая концентрация минералов может иметь различное влияние в быту. Высокие концентрации сульфат- или хлорид-ионов повышают электрическую проводимость воды.
Значительно снизить содержание хлоридов и сульфатов можно с помощью обратного осмоса. Также это можно сделать с помощью деионизации (деминерализации) или дистилляции.
Фториды
Присутствие фторидов в воде может быть как вредным, так и полезным. Все зависит от концентрации. Источники поверхностных вод обычно имеют низкое содержание фторидов (менее 0,5 мг/л (ppm)). В некоторых фториды отсутствуют вообще. Артезианские воды могут иметь избыточное содержание фторидов,
выше рекомендованного уровня (1 мг/л для питьевой воды).
Фториды важны, поскольку они прямо связаны с состоянием зубов. Исследование показало, что концентрация фторидов в питьевой воде на уровне 1 мг/л уменьшает кариес. С другой стороны, если некоторые дети до 9 лет подвержены воздействию фторидов в концентрациях, превышающих 2 мг/л, у них
может развиться эндемический флюороз зубов или, как его иногда называют, «колорадские коричневые пятна». Это заболевание проявляется в виде темно-коричневых крапинок или пятен на постоянных зубах. В некоторых случаях, зубы становятся чрезмерно белыми. Федеральные стандарты требуют, чтобы
концентрация фторидов в питьевой воде не превышала 4 мг/л. Это имеющий законную силу стандарт, принятый для защиты здоровья населения. Если много лет употреблять питьевую воду с содержанием фторидов выше 4 мг/л, это может вызвать флюороз скелета, очень серьезное заболевание костей.
Исследования показывают, что концентрация фторидов на уровне 1 мг/л является оптимальной. Эксперты, в основном, согласны в таких вопросах:
(1) там, где концентрация фторидов превышает 4 мг/л, их избыток необходимо удалять;
(2) там, где концентрации ниже 1 мг/л, фториды могут добавляться в воду для предотвращения стоматологического кариеса.
В сегодняшнем обществе, однако, фториды широко присутствуют во многих продуктах питания, напитках, и особенно, в зубных пастах и жидкостях для полоскания рта. В некоторых штатах городские власти обязаны обеспечить добавление фторидов в муниципальные водопроводы. Там, где концентрации слишком высоки, их необходимо уменьшить до приемлемого уровня.
Для удаления фторидов используется несколько методов. В общем виде их можно объединить в три группы:
1. Обратный осмос.
2. Обработка реагентами, такими как сульфат алюминия, фосфат магния
или кальция и другие.
3. Фильтрация через слой определенных материалов, например, активированного глинозема, гранулированного трикальцийфосфата или анионо-
обменных смол.
Первый метод имеет очевидные преимущества. Методы из второй группы имеют явные недостатки. Их применение требует использования сложных станций водоподготовки, тщательного контроля дозировки реагентов и pH. В некоторых случаях необходима дообработка воды для восстановления уровня pH до нормального.
Методы из третьей группы не требуют настолько сложного контроля. Из них единственным широко используемым методом снижения уровня фторидов является применение трикальцийфосфатного фильтра. Такой фильтр действует во многом так же, как угольный фильтр. По мере того, как вода проходит через фильтр, происходит поглощение фторидов.
Сероводород
Сероводород — это газ, присутствующий в некоторых водах. Его присутствие всегда явно из-за неприятного запаха «тухлых яиц». Этот характерный запах иногда чувствуется уже при концентрациях 0,5 мг/л. Сероводород имеет неприятный вкус и запах, но это только две из проблем, которые он приносит.
Сероводород способствует коррозии из-за его слабокислотных свойств. Более того, его присутствие в воздухе за считанные секунды вызывает потускнение серебра. Сероводород в высоких концентрациях огнеопасен и ядовит. Хотя такие высокие концентрации и редкость, но известны случаи, когда их наличие
в питьевой воде вызывало тошноту, болезнь и даже смерть. Высокие концентрации растворенного сероводорода могут также засорять ионообменный слой умягчителя. В основном, сероводород встречается в концентрациях менее 10 мг/л (ppm) (мг/л). Иногда они могут достигать 50-75 мг/л. В артезианских водах
сероводород встречается чаще, чем в поверхностных.
Существует несколько методов удаления сероводорода из воды. Большинство из них предусматривают преобразование сероводорода в элементную серу. Затем этот нерастворимый желтый порошок может быть удален с помощью фильтрации. При низких и средних концентрациях сероводорода, он может быть удален с помощью окислительного фильтра такого же типа, как фильтр для удаления железа. Поскольку осажденная элементная сера стремится к засорению фильтрующего материала, необходимо надлежащим образом осуществлять обратную промывку и время от времени заменять материал фильтрующего слоя.
Химическая обработка рекомендуется при концентрациях сероводорода выше среднего и высоких. В таких случаях подходящими окислителями являются бытовой отбеливатель, озон или перманганат калия. При использовании таких окислителей, как отбеливатель и перманганат калия, необходим небольшой насос-дозатор для подачи окислителя в воду. Начальная дозировка хлора должна составлять 2 мг/л на 1 мг/л H2S. Такая дозировка, как правило, дает достаточный остаток хлора для обеспечения полного окисления сероводорода до серы. Для обеспечения наиболее эффективной работы скорость подачи реагента
можно регулировать. Как и в случае с железом, раствор хлора должен поступать в воду до того, как вода поступает в смеситель или бак для хранения воды, чтобы обеспечить достаточное время контакта. Для завершения реакции необходимо обеспечить контактное время не менее 20 минут. По истечении этого времени, вода должна пройти через осаждающий фильтр с активированным углем, чтобы удалить теперь нерастворимую серу и избыточный хлор.
Если в качестве окислителя используется перманганат калия, рекомендуется применять фильтр удаления железа, с помощью которого нерастворимые вещества удаляются из воды. (Теоретически, необходимо 6,2 мг/л чистого KMnO4 для окисления 1 мг/л H2S.) Однако в воду необходимо подавать небольшой избыток
перманганата, о чем говорит светло-розовый цвет, чтобы поддерживать фильтр в «регенерированном» состоянии. В этом случае это избыточное количество перманганата служит в качестве резерва для защиты от любого неожиданного повышения содержания сероводорода в воде.
Фильтр с активированным углем может самостоятельно удалить следовое количество сероводорода. В процессе этого уголь просто собирает газ на своих поверхностях. Использование фильтра с активированным углем может быть экономичным, когда газ присутствует в небольших концентрациях. Необходима периодическая замена активированного угля. При более высоких концентрациях сероводорода использование такого фильтра непрактично с экономической точки зрения.
Некоторые крупные потребители воды для удаления сероводорода используют аэрацию. Хотя это и самый простой метод, он обычно не используется в домашних условиях. Его недостатки заключаются в высокой первоначальной стоимости и неполном удалении газа из воды. Для удаления сероводорода также иногда используют процесс ионного обмена. Ионообменным материалом в этом случае служит сильное основное анионное вещество, которое может быть регенерировано солью или смесью соли и бикарбоната натрия. Преимущество такого метода заключается в простоте его функционирования. С другой стороны, скорость потока в этом случае относительно низкая, а все хлорид-анионы попадают в отработанные воды.
Нитраты (нитратный азот)
Нитратный азот. Концентрация нитратов, как правило, выражается как NO3-. Термин «нитратный азот» используется для обозначения присутствующего азота, объединенного в нитрат-ион, или нитратов, измеренных и выраженных в количестве азота, который входит в их состав. Этот термин используется, чтобы отличать нитратный азот от азота в форме аммиака (аммиачный азот) и азота в форме нитритов (нитритный азот). Концентрации обычно выражают в мг/л азота.
Многие грунтовые воды содержат небольшие количества нитратного азота. Его концентрации колеблются от 0,1 мг/л до 3-4 мг/л в большинстве регионов. Но встречаются и высокие концентрации (100 мг/л). Нитраты находят и в неглубоких, и в глубоких скважинах, но чаще они встречаются в воде из неглубоких скважин. Нитратный азот может попадать в воду в результате просачивания воды через почву, содержащую минералы, в которых есть нитраты. Также они могут появляться в результате внесения в почву определенных удобрений. Но при этом нитраты являются и одним из продуктов разложения животных и человеческих продуктов жизнедеятельности. Поэтому присутствие нитратов в воде также может указывать на ее загрязнение сточными водами.
В последние годы о нитратном азоте много говорят в связи с проблемой «синюшных детей». В концентрациях не более 10-20 мг/л нитратный азот стал причиной болезни и даже смерти среди младенцев возрастом до шести месяцев. Если такая вода используется в процессе дополнительного или полного искусственного вскармливания, она может повлиять на способность крови переносить кислород. Это кислородное голодание называется метгемоглобинемия, или чаще синдромом синюшного ребенка. Это серьезное заболевание среди младенцев вызвано тем, что нитраты преобразуются в нитриты в условиях более высоких значений pH, существующих в желудке и кишечном тракте младенцев возрастом до шести месяцев. Нитраты подавляют способность крови младенцев и детенышей животных переносить кислород. Это острая болезнь, симптомы которой могут развиваться очень быстро. В большинстве случаев здоровье ухудшается за несколько дней. Симптомы этого заболевания — затруднение дыхания и синева кожи.
В процессе разложения необработанные сточные воды претерпевают химические изменения. Среди конечных продуктов таких изменений — нитратный азот. Когда находят нитратный азот, его рассматривают как симптом загрязнения из фильтрационных полей септиков, выгребных ям или других канализационных источников. Там, где известно, что грунтовые воды не содержат нитратного азота совсем или содержат его в небольших количествах, любое значительное повышение его содержания является возможным индикатором загрязнения. По причине этого, артезианские воды, содержащие нитратный азот, должны периодически проверяться местными или государственными органами здравоохранения.
Лучшим методом контроля больших концентраций нитратного азота, попадающего в воду через человеческие или животные продукты жизнедеятельности, является принятие превентивных мер. Скважины необходимо располагать правильно и строить так, чтобы предотвратить их загрязнение сточными подами. Нитраты также удаляются дистилляцией, анионным обменом и обратным осмосом. Несмотря на то, что обратный осмос может удалить около 95% нитратов в ионной форме, неионные формы азота не удаляются и проходят через мембрану. Азотистые соединения в растворе ионизируются слабо, что может привести к тому, что степень удаления в процессе обратного осмоса не будет превышать 40%, особенно при давлении ниже 50 фунтов на кв. дюйм (0,34 МПа). Бутилированная вода также может быть для младенцев практичным источником воды, не содержащей нитратов. В коммерческой и промышленной сферах наличие нитратов в источниках водоснабжения обычно не представляет собой серьезной проблемы.
Кислород
Когда дождевая вода проходит через атмосферу, она собирает газообразный кислород. Этот растворенный кислород — не то же самое, что кислород в молекуле воды. Растворенный кислород присутствует во всех дождевых и поверхностных водах благодаря их контакту с атмосферой. Сколько в источнике воды будет растворенного кислорода, зависит от нескольких факторов:
1. При высоком давлении относительно большое количество кислорода растворяется в воде. При уменьшении давления, пропорциональный вес газа улетучивается (Закон Генри).
Закон Генри. Английский химик Вильям Генри сформулировал закон, описывающий воздействие давления на газ. Согласно этому закону, вес газа, который растворяется в любой данной жидкости, прямо
пропорционален давлению при условии, что температура остается постоянной. Например, если один грамм кислорода растворяется в 100 кубических сантиметрах воды при нормальном атмосферном давлении, при двойном атмосферном давлении растворится два грамма кислорода, при условии, что температура останется неизменной.
2. Количество минералов в воде влияет на ее способность растворять кислород. Дистиллированная вода может поглотить больше кислорода, чем артезианская вода с высоким содержанием минералов. И очевидно, что в морской воде содержится меньше кислорода, чем в пресных поверхностных водах.
В артезианской воде растворенного кислорода обычно меньше, чем в источниках поверхностных вод. В воде из глубоких скважин кислорода может не быть вообще. Но при этом в статье в журнале «Наука» от 11 июня 1982 г. на стр. 1227-1230 говорится:
В противоположность общепринятому мнению, что реакции обеднения кислорода в почвенной зоне и в водоносном горизонте могут быстро снизить содержание растворенного в воде кислорода до предела обнаружения, в воде из нескольких глубоких (100-1000 м) водоносных горизонтов в Неваде, Аризоне, а также из горячих источников Аппалачей и Арканзаса обнаружено от 2 до 8 мг/л растворенного кислорода. Большинство из образцов имеют возраст от нескольких до более 10 000 лет, и некоторые из них были взяты на расстоянии 80 км от места подпитки.
Кислород придает воде вкус. Поэтому желательно, чтобы в питьевой воде присутствовало небольшое количество кислорода. Мы все знакомы с «пустым» вкусом, который часто имеет вода после того, как она некоторое время простояла в открытой емкости. Вкус можно улучшить, если встряхнуть воду в частично заполненной бутылке. Этот кислород, внесенный заново в воду, придаст ей более привлекательный вкус. Но, несмотря на это положительное качество кислорода, он также может быть источником серьезных проблем в бытовых системах водоснабжения. Кислород вызывает коррозию. В холодной воде коррозионное действие кислорода незначительно. И, напротив, когда вода нагревается, кислород может вызвать серьезные коррозионные проблемы. Например, если его концентрация превышает 0,5 мг/л, кислород может быть причиной коррозии меди.
Для удаления кислорода из воды используется несколько реагентов. Наиболее широко используемым, возможно, является сульфит натрия (Na2SO3). Он реагирует с кислородом при высоких температурах и образует сульфат натрия (Na2S04), таким образом уменьшая содержание кислорода. Другие вещества вступают в реакцию с кислородом подобным образом и тоже удаляют его из воды. В бытовых целях ограничиваются использованием полифосфатов для создания покрытия внутренних поверхностей водопровода, препятствующего их контакту с кислородом.
Кремнезем
Кремнезем содержится во многих источниках воды. Это и не удивительно, поскольку кремний — это наиболее широко распространенный элемент на земле.
Кремнезем (диоксид кремния). Соединение кремния и кислорода (SiO2). Это твердое, стекловидное минеральное вещество, которое встречается в различных формах, например, в виде песка, кварца, песчаника и гранита. Также его находят в частях скелета различных животных и растений.
Кремний. Один из неметаллов, в изобилии встречающийся как составная часть различных соединений в коре земли.
Твердая земная кора содержит от 80% до 90% силикатов или других соединений кремния. Когда вода проходит сквозь землю или по поверхности земли, она растворяет в качестве одного из загрязнителей кремнезем, находящийся в песках, камнях и минералах.
Силикаты. Соединения, в которых содержится кремний и кислород в комбинации с такими металлами, как алюминий, кальций, магний, железо, калий, натрий и другие. Силикаты широко распространены в таких минералах, как асбест, слюда, тальк, лава и другие.
Концентрация кремнезема в воде колеблется от нескольких миллионных долей (ppm) в поверхностных источниках до более 100 мг/л (ppm) в некоторых артезианских водах.
Коллоиды. Очень маленькие твердые частицы размером 0,01-0,1 микрона, которые находятся во взвешенном состоянии в растворах, например, в воде. Вес отдельной частицы настолько мал, что истинная коллоидная частица не осядет, даже после того, как раствор простоит неопределенно долгое время. Считается, что коллоидные частицы обладают зарядом, который заставляет их отталкиваться друг от друга и предотвращает их объединение в более крупные скопления.
Коллоидные частицы диспергируют очень медленно, и совсем не диспергируют через мембраны. Они практически не оказывают влияние на точку замерзания, точку кипения или упругость пара раствора.
В коллоидной форме кремнезем состоит из очень маленьких частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Как правило, их можно удалить с помощью коагуляции и осаждения или фильтрования.
Натрий
Соли натрия присутствуют в большем или меньшем количестве во всех естественных водах. Их концентрация колеблется от нескольких миллионных долей (ppm) в некоторых поверхностных источниках вод до нескольких сот грейнов на галлон в воде из определенных скважин. Натрий чрезвычайно растворим, и его растворимость повышается с ростом температуры воды. Из-за этого соли натрия не формируют накипи при нагревании воды. Точно также соли натрия не образуют хлопьев при объединении с мылом. Собственно, обычное мыло — это органическое натриевое соединение, которое само по себе не реагирует
с натрием, находящимся в воде.
Мыло может состоять из жирной кислоты и сильной щелочи:
Их этого видно, что мыло — это фактически соль, образованная из кислоты и основания.
Высокие концентрации натрия, с другой стороны, означают высокое общее содержание минералов и тенденции к усилению коррозионной активности воды. В концентрациях выше 30-40 грейнов на галлон (513-684 мг/л) соли натрия могут придавать воде неприятный вкус. Более того, ионы натрия в больших количествах затрудняют способность ионообменных умягчителей удалять жесткость. Там, где концентрация минералов жесткости и натрия в воде ощутимая, несколько грейнов жесткости могут сохраняться в умягченной воде. Это происходит из-за регенерационного эффекта, который оказывают ионы натрия на ионообменный материал.
Для удаления натрия из воды используется обратный осмос, дистилляция и деионизация.
Метан
Скважины, в воде из которых содержится метан, обычно расположены в регионах, в которых много газовых и нефтяных месторождений. Его концентрация может составлять от 0,1 до 11,6 кубических футов на 1000 галлонов (0,0028-0,3285 куб. м на 3785 л). Это приблизительно равно 0,8-87 миллилитров метана на литр воды. Наличие метана неприемлемо для питьевой воды из-за его запаха и огнеопасности. Если вода содержит метан, перед ее использованием для промышленных или бытовых нужд ее рекомендуется подвергать аэрации. Это необходимо для предотвращения опасности взрыва. При этом газ должен быть выпущен в атмосферу.
Фенол
В последнее время усиливается контроль правительственными и общественными организациями загрязнения воды, возникающего из-за сброса промышленных стоков. Одним из опасных промышленных отходов является фенол. При хлорировании фенол (С6Н5ОН) придает воде лекарственный привкус и запах. Этот неприемлемый привкус в хлорированной воде появляется в таких небольших концентрациях как одна миллиардная доля из-за образования хлорфенолов, которые могут быть удалены фильтрацией с помощью активированного угля.
ЗАГРЯЗНИТЕЛИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ИХ УДАЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ОБРАТНОГО ОСМОСА
Номинальная степень задержания для мембран обратного осмоса при полезном давлении 60 фунтов на кв. дюйм (0,41 МПа) и температуре 77°F (25°С)
| Неорганический |
Степень задержания |
Степень задержания |
| загрязнитель |
мембраной СТА* |
мембраной TFC* |
| Натрий |
85—90% |
90—98% |
| Кальций |
90—95% |
93—99% |
| Магний |
90—95% |
93—99% |
| Калий |
85—90% |
90—98% |
| Железо2 |
90—95% |
93—99% |
| Марганец2 |
90—95% |
93—99% |
| Алюминий |
90—95% |
93—99% |
| Медь |
90—95% |
93—99% |
| Никель |
90—95% |
93—99% |
| Цинк |
90—95% |
93—99% |
| Стронций |
90—95% |
93—99% |
| Кадмий |
90—95% |
93—99% |
| Серебро |
90—95% |
93—99% |
| Ртуть |
90—95% |
93—99% |
| Барий |
90—95% |
93—99% |
| Хром |
90—95% |
93—99% |
| Свинец |
90—95% |
93—99% |
| Хлориды |
85—95% |
90—98% |
| Бикарбонаты |
85—90% |
90—98% |
| Нитраты3 |
40—50% |
85—95% |
| Фториды |
85—90% |
90—98% |
| Фосфаты |
90—95% |
93—99% |
| Хроматы |
85—90% |
90—98% |
| Цианиды |
85—90% |
90—98% |
| Сульфаты |
90—95% |
93—99% |
| Бор |
30—40% |
55—80% |
| Мышьяк+3 |
60—70% |
70—80% |
| Мышьяк+5 |
85—90% |
93—99% |
| Селен |
90—95% |
93—99% |
| Радиоактивность |
90—95% |
93—99% |
| Бактерии |
> 99% |
> 99% |
| Простейшие |
> 99% |
> 99% |
| Цисты амеб |
> 99% |
> 99% |
| Giardia |
> 99% |
> 99% |
| Асбест |
> 99% |
> 99% |
| Осадок/Мутность |
> 99% |
> 99% |
Органические загрязнители
| Органические молекулы с молекулярной массой > 300 |
> 90% |
> 99% |
| Органические молекулы с молекулярной массой < 3005 |
0—90% |
0—99% |
*СТА — Целлюлозная мембрана
*TFC — Тонкопленочная композитная мембрана
1. Данная таблица номинальных степеней задержания составлена для двух типов мембран, используемых в системах подачи питьевой воды, работающих при полезном давлении (входное давление минус обратное давление и осмотическое давление) 60 фунтов на кв. дюйм (0,41 МПа) и температуре воды 77°F (25°С).
Реальная степень задержания систем, включающих эти два типа мембран, может быть меньше номинальной из-за изменений во входном давлении, температуре, химических характеристиках воды, концентрации загрязнителя, полезном давлении на мембрану и эффективности конкретной мембраны.
Настольные системы подачи питьевой воды с обратным осмосом имеют лучшую общую степень задержания, чем встроенные системы, поскольку в них происходит максимизация полезного давления на мембрану.
2. Хотя железо и марганец эффективно удаляются с помощью мембран, они могут довольно легко засорить их поверхность отложениями даже при низких концентрациях. В общем случае желательно, чтобы железо и марганец были удалены другими методами до обработки с помощью обратного осмоса.
3. Степень удаления нитратов зависит от таких факторов, как pH, температура, полезное давление на мембрану и присутствие других загрязнителей.
4. Хотя мембраны обратного осмоса теоретически удаляют все известные микроорганизмы, включая вирусы, они не могут предложить защиту от неосторожного обращения при использовании в потребительских системах подачи воды. Потенциальные течи и недостатки производства могут позволить некоторым микроорганизмам проникнуть в обработанную воду.
Таким образом, небольшую домашнюю систему обратного осмоса для подготовки питьевой воды нельзя использовать в качестве главного средства для удаления биологических загрязнителей, с помощью которого вода становилась бы приемлемой для употребления.
5. Степень удаления органических молекул с молекулярной массой меньше 300 зависит от размера и формы молекулы. В систему обратного осмоса всегда входит активированный уголь, чтобы обеспечить полное удаление органических загрязнителей с меньшей молекулярной массой.
